高耐压半导体开关元件的制作方法

专利名称：高耐压半导体开关元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有绝缘栅型开关元件的高耐压半导体开关元件，特别 地涉及一种具有因过电流保护开关元件的过电流保护功能的高耐压半导体开 关元件。
背景技术：


图18 (a)中示出了常规的横型绝缘栅型双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor:以下称为IGBT)的构造。图18 (a)是现有的IGBTIOO 的俯视图，图18 (b)及(c)分别是图18 (a)中的A-A'线及B-B'线的剖 面图。在图18 (a) (c)所示的横型IGBTIOO中，在N型半导体基板101 的表面部形成P型的基区102，在基区102的表面部形成N型的发射区103。 从发射区103上跨过基区102上到至少半导体基板101上形成栅绝缘膜109， 在栅绝缘膜109上形成栅电极110。此外，在半导体基板101的表面部，与 基区102隔离而形成P型集电区107。在集电区107的表面上形成与集电区 107电连接的集电极电极108，在发射区103及基区102的各自的表面上形成 与两者电连接的发射极电极104。具有这种横型IGBT半导体器件，大多以在横型IGBTd集电极电极和电 源之间连接电读出性负载的状态使用。 一旦在这样的场合引起事故，此电读 出性负载成为短路状态，在横型IGBT中就会流过额定电流几倍以上的电流。 因此，在这种负载短路时对过电流进行检测，如果不切断栅电压或集电极电 压，横型IGBT就会因温度上升而产生热破坏。因此，在图18 (a) (c)所示的横型IGBTIOO中，在位于规定的区域 的发射区103及基区102的各自的表面上，与发射极电极104隔离而形成与 两者电连接的读出电极106。 g卩，在读出电极106和发射极电极104之间介 入区域lll。图19示出了对图18 (a) (c)中所示的横型IGBTIOO具有过电流保 护功能的半导体器件的概括电路结构的一例。再有，在图19中，由于对与图18 (a) (c)相同的构成要素赋予相同的符号，所以省略说明。如图19所 示，读出电极106和发射极电极104通过读出电阻201电连接。在此，电连 接到读出电极106的过电流检测电路200由电压比较器202、分别电连接到 电压比较器202的基准电压电路203以及前述的读出(sense)电阻201构成。 在图19所示的半导体器件中，读出电流204通过读出电阻201流向发射极电 极104—侧，此时，利用比较器比较在读出电阻201的两端产生的电压和基 准电压电路203产生的电压，根据两电压之差控制流过横型IGBT100的集电 极电流205。专利文献1JP特开平2-138773号公报专利文献2JP特开平9-260592号公报专利文献3JP特开平7-297387号公报发明内容但是，在现有例相关的横型IGBT100中，特别是涉及读出电流204和集 电极电流205的关系存在以下这样的问题。读出电流204是从横型IGBT100的集电极电极108，通过集电区107、半 导体基板101、基区102及发射器103流到读出电极106为止的电流。另一 方面，集电极电流205是从横型IGBT100的集电极电极108，通过集电区107、 半导体基板101、基区102及发射区103流到发射极电极104为止的电流。 如前所述，由于读出电极106和发射极电极104电隔离，所以在基区102及 发射区103的各自的表面上存在既不存在发射极电极104也不存在读出电极 106的区域111。然而，读出电流204包含不仅从与读出电极106对置的部分 的集电区107，还从与区域111对置的部分的集电区107绕过来的电流。因 此，当集电极电流205小时，由于存在从与区域111对置的部分的集电区107 绕过来而成为读出电流204的电流，所以集电极电流205与读出电流204之 比(集电极电流/读出电流以下称为读出比)变小。另一方面，虽然集电极 电流205变大时读出电流204也变大，但为了决定流入发射区103 (发射极 电极104的下侧部分)或读出区(发射区103中读出电极106的下侧部分) 的电流密度，相对地减小从集电区107向该读出区绕过来的电流(从与区域 111对置的部分的集电区107向读出区绕过来的电流)的比率。其结果，集 电极电流205越增加，读出比就变得越大。像这样，在现有例相关的横型IGBT中，存在所谓读出比相对于集电极电流的变化而变动的问题。此外，读出比还取决于动作温度。g卩，在IGBT等双极元件中，当温度变高时，双极的动作变明显，特别是在IGBT中虽然在高温下空穴电流(hole 电流)增加，但如上所述，由于决定了流入发射区或读出区的电流密度，所 以向读出电流中的读出区域绕过来的电流的有用比率，在高温下与室温相比 变小，高温下的读出比变大。像这样，在现有例相关的横型IGBT中，就存在 读出比会随温度上升而上升的问题。如图19所示的半导体器件那样，使用通过读出电流来控制集电极电流的 方式的情况下，虽然需要设计控制电路以便补偿以上所述的读出比的集电极 电流依赖关系或温度依赖关系，但由于在该控制电路中也存在温度依赖关系， 所以半导体器件的设计就会变得非常困难。鉴于上述问题，本发明目的在于，提供一种高耐压半导体开关元件，其 中能够通过开关元件本身的构造控制读出比的集电极电流依赖关系或温度依 赖关系。为了实现上述目的，本发明相关的第1高耐压半导体开关元件，包括 形成在第2导电类型半导体的基板内的第1导电类型的基区；选择性地形成 在上述基区内的至少1个的第2导电类型的发射区；在上述基区内与上述发 射区隔离而选择性地形成的至少1个的第2导电类型的读出区；在上述半导 体基板内与上述基区隔离而形成的第1导电类型的集电区；从上述发射区看， 至少在位于上述集电区一侧的部分的上述基区上形成的栅绝缘膜；形成在上 述栅绝缘膜上的栅电极；形成在上述半导体基板上、且电连接到上述集电区 的集电极电极;形成在上述半导体基板上、且电连接到上述基区及上述发射 区双方的发射极电极；和形成在上述半导体基板上、且电连接到上述读出区 的读出电极，上述发射区及上述读出区被配置使得在相对于从上述集电区向 上述基区的第1方向垂直的第2方向上排列，设定上述第2方向上的上述读 出区、上述发射区、邻接上述读出区的部分的上述基区、及邻接上述发射区 的部分的上述基区各自的宽度，以使集电极电流与读出电流之比即读出比按 照该集电极电流的变化而产生所希望的变化。再有，在本发明中，「高耐压半导体开关元件」是指栅电压0V时，具有 漏电压例如大约200V以上的耐压开关元件。根据本发明的第1高耐压半导体元件，通过调节第2导电类型的读出区、第2导电类型的发射区、与读出区邻接的部分的第1导电类型的基区、及与 发射区邻接的部分的第1导电类型的基区的各自的宽度，就能够控制从单位 宽度的发射区释放出的第1导电类型载流子的数量、和单位宽度的读出区释 放出的第1导电类型载流子的数量。因此能够控制读出比的集电极电流依赖关系。具体地，在本发明的第1高耐压半导体开关元件中，例如，通过将与该读出区邻接的部分的上述基区的宽度与上述第2方向上的上述读出区的宽度 之比和与该发射区邻接的部分的上述基区的宽度与上述第2方向上的上述发 射区的宽度之比设定为相等，使得上述读出比相对于上述集电极电流的变化 成为恒定。此时，也可将上述第2方向上的上述读出区、上述发射区、与上 述读出区邻接的部分的上述基区、以及与上述发射区邻接的部分的上述基区 的各自的宽度设定为相等。此外，在本发明的第1高耐压半导体开关元件中，例如，通过将与该读 出区相邻的部分的上述基区的宽度与上述第2方向上的上述读出区的宽度之 比设定为比与该发射区相邻的部分的上述基区的宽度与上述第2方向上的上 述发射区的宽度之比更大，使得上述读出比随着上述集电极电流的增加而增 加。或者，在本发明的第1高耐压半导体开关元件中，例如，通过将与该读 出区邻接的部分的上述基区的宽度与上述第2方向上的上述读出区的宽度之 比设定为比与该发射区相邻的部分的上述基区的宽度与上述第2方向上的上 述发射区的宽度之比更小，使得上述读出比随着上述集电极电流的增加而减 少。本发明相关的第2高耐压半导体开关元件，包括形成在第2导电类型 的半导体基板内的第1导电类型的基区；选择性地形成在上述基区内的至少 1个的第2导电类型的发射区；在上述基区内与上述发射区隔离而选择性地 形成的至少1个的第2导电类型的读出区；在上述半导体基板内与上述基区 隔离而形成的第1导电类型的集电区；在上述半导体基板内与上述基区隔离 而形成的第2导电类型的漏区；从上述发射区看，至少在位于上述集电区一 侧的部分的上述基区上形成的栅绝缘膜；形成在上述栅绝缘膜上的栅电极； 形成在上述半导体基板上、且电连接到上述集电区及上述漏区双方的集电极 电极；形成在上述半导体基板上、且电连接到上述基区及上述发射区双方的发射极电极，和形成在上述半导体基板上、且电连接到上述读出区的读出电 极，上述发射区及上述读出区被配置使得在相对于从上述集电区向上述基区 的第1方向垂直的第2方向上排列，设定上述第2方向上的上述读出区、上 述发射区、邻接上述读出区的部分的上述基区、及邻接上述发射区的部分的 上述基区的各自的宽度，以使集电极电流与读出电流之比按照该集电极电流 的变化而产生所希望的变化。根据本发明的第2高耐压半导体开关元件，通过设置与基区隔离的集电区及漏区两方，就能够实现可以减少在从轻负载到重负载的整个区域上的损失的高耐压半导体开关元件。此外，通过调节第2导电类型读出区、第2导 电类型发射区、邻接读出区的部分的第1导电类型基区、及与发射区邻接的 部分的第1导电类型的基区的各自的宽度，就能够控制从单位宽度的发射区 释放出的第1导电类型的载流子的数量、和单位宽度的读出区释放出的第1 导电类型的载流子的数量。因此能够控制读出比的集电极电流依赖关系。具体地，在本发明的第2高耐压半导体开关元件中，例如，通过将与该 读出区邻接的部分的上述基区的宽度与上述第2方向上的上述读出区的宽度 之比和与该发射区邻接的部分的上述基区的宽度与上述第2方向上的上述发 射区的宽度之比设定为相等，使得上述读出比相对于上述集电极电流的变化 成为恒定。此时，也可以设定上述第2方向上的上述读出区、上述发射区、 与上述读出区邻接的部分的上述基区、及与上述发射区邻接的部分的上述基 区的各自的宽度相等。此外，在本发明的第2高耐压半导体开关元件中，例如，通过将与该读 出区邻接的部分的上述基区的宽度与上述第2方向上的上述读出区的宽度之 比设定为比与该发射区邻接的部分的上述基区的宽度与上述第2方向上的上 述发射区的宽度之比更大，使得上述读出比随着上述集电极电流的增加而增 加。或者，在本发明的第1高耐压半导体开关元件中，例如，通过将与该读 出区邻接的部分的上述基区的宽度与上述第2方向上的上述读出区的宽度之 比设定为比与该发射区邻接的部分的上述基区的宽度与上述第2方向上的上 述发射区的宽度之比更小，使得上述读出比随着上述集电极电流的增加而减少。再有，在本发明的第2高耐压半导体开关元件中，也可以夹持上述栅电极且彼此对置地配置上述读出区和上述集电区，或者可以夹持上述栅电极且 彼此对置地配置上述读出区和上述漏区。或者，可以形成多个上述读出区， 夹持上述栅电极且彼此对置地配置至少1个上述读出区和上述集电区，并夹 持上述栅电极且彼此对置地配置其它的上述读出区和上述漏区。本发明相关的第3高耐压半导体开关元件，包括形成在第2导电类型 半导体的基板内的第1导电类型的基区；选择性地形成在上述基区内的至少 1个的第2导电类型的发射区；在上述基区内与上述发射区隔离而选择性地 形成的至少1个的第2导电类型的读出区；在上述半导体基板内与上述基区 隔离而形成的第1导电类型的集电区；至少从上述发射区看，在位于上述集 电区一侧的部分的上述基区上形成的栅绝缘膜；形成在上述栅绝缘膜上的栅 电极；形成在上述半导体基板上、且电连接到上述集电区的集电极电极；形 成在上述半导体基板上、且电连接到上述基区及上述发射区双方的发射极电 极；和形成在上述半导体基板上、且电连接到上述读出区的读出电极，上述 发射区及上述读出区被配置使得在相对于从上述集电区向上述基区的第1方 向垂直的第2方向上排列，位于上述发射极电极和上述栅电极之间的部分的 上述发射区的电阻与位于上述读出电极和上述栅电极之间的部分的上述读出 区的电阻相等。根据本发明的第3高耐压半导体开关元件，由于位于发射极电极和栅电 极之间的部分的上述发射区的电阻与位于读出电极和栅电极之间的部分的读 出区的电阻相等，所以当高耐压半导体开关元件流过引起导电率调制程度的 集电极电流时，就会使从读出区流出的电子电流的电流密度和从发射区流出 的电子电流的电流密度相同。因此，由于在高耐压半导体开关元件流过引起 导电率调制程度的集电极电流时也能够抑制读出比的变动，就能够容易地进 行流过高耐压半导体开关元件的集电极电流的控制。根据本发明的第3高耐压半导体开关元件，由于位于发射极电极和栅电 极之间的部分的上述发射区的电阻与位于读出电极和栅电极之间的部分的读 出区的电阻相等，所以由于能够使相对于温度的上升的各自的电阻的上升相 一致，就有可能消除读出比的温度依赖关系。根据本发明的第4高耐压半导体开关元件，包括形成在第2导电类型的半导体基板内的第1导电类型的基区；选择性地形成在上述基区内的至少 1个的第2导电类型的发射区；在上述基区内与上述发射区隔离而选择性地形成的至少1个的第2导电类型的读出区；在上述半导体基板内与上述基区 隔离而形成的第1导电类型的集电区；在上述半导体基板内与上述基区隔离 而形成的第2导电类型的漏区；至少从上述发射区看，在位于上述集电区一 侧的部分的上述基区上形成的栅绝缘膜；形成在上述栅绝缘膜上的栅电极； 形成在上述半导体基板上、且电连接到上述集电区及上述漏区双方的集电极 电极；形成在上述半导体基板上、且电连接到上述基区及上述发射区双方的 发射极电极；和形成在上述半导体基板上、且电连接到上述读出区的读出电 极，上述发射区及上述读出区被配置使得在相对于从上述集电区向上述基区 的第1方向垂直的第2方向上排列，位于上述发射极电极和上述栅电极之间 的部分的上述发射区的电阻与位于上述读出电极和上述栅电极之间的部分的 上述读出区的电阻相等。根据本发明的第4高耐压半导体开关元件，由于位于发射极电极和栅电 极之间的部分的上述发射区的电阻与位于读出电极和栅电极之间的部分的读 出区的电阻相等，所以当高耐压半导体开关元件流过引起导电率调制程度的 集电极电流时，就会使从读出区流出的电子电流的电流密度和从发射区流出 的电子电流的电流密度相同。因此，由于在高耐压半导体开关元件流过引起 导电率调制程度的集电极电流时也能够抑制读出比的变动，就能够容易地进 行流过高耐压半导体开关元件的集电极电流的控制。根据本发明的第4高耐压半导体开关元件，由于位于发射极电极和栅电 极之间的部分的上述发射区的电阻与位于读出电极和栅电极之间的部分的读 出区的电阻相等，所以由于能够使相对于温度的上升的各自的电阻的上升相 一致，就有可能消除读出比的温度依赖关系。再有，在本发明的第4高耐压半导体开关元件中，也可以夹持上述栅电 极且彼此对置地配置上述读出区和上述集电区，或可以夹持上述栅电极且彼 此对置地配置上述读出区和上述漏区。或者，可以形成多个上述读出区，夹 持上述栅电极且彼此对置地配置至少1个上述读出区和上述集电区，并夹持 上述栅电极且彼此对置地配置其它的上述读出区和上述漏区。此外，在本发明的第3或第4高耐压半导体开关元件中，可以使上述第 2方向上的上述发射区及上述读出区的各自的宽度相等；使位于上述发射极 电极和上述栅电极之间的部分的上述发射区的长度、与位于上述读出电极和 上述栅电极之间的部分的上述读出区的长度相等。此外，在本发明的第1 第4高耐压半导体开关元件中，优选形成多个 上述读出区，并在一个上述读出区和另 一个上述读出之间配置上述栅发射区。 如此这样，与将多个读出区汇集在一处而形成的情形相比，当高耐压半导体 开关元件流过引起导电率调制程度的集电极电流时，就能够减小从与读出区 对置的部分的集电区流出的电流的电流密度、和从与发射区对置的部分的集 电区流出的电流的电流密度之差。因此，可降低相对于集电极电流和温度的 变化的读出比的偏差，保持读出比恒定。此外，在本发明的第1 第4高耐压半导体开关元件中，上述半导体基 板是第1导电类型，还包括在上述半导体基板内邻接上述基区而形成的第2导电类型的储备(reserve)区，并优选在上述储备区内形成上述集电区。再 有，此情况下，在本发明的第2或第4高耐压半导体开关元件中，在储备区 内还形成漏区。此外，此情况下还优选，还包括在上述储备区的表面部形成 的第1导电类型的顶上半导体层，上述顶上半导体层与上述基区电连接；或 者，还包括在上述储备区内形成的第1导电类型的埋置半导体层，上述埋置 半导体层与上述基区电连接。根据本发明，在横型IGBT等高耐压半导体开关元件中，由于能够通过开关元件本身的构造来控制读出比的集电极电流依赖关系和温度依赖关系，所 以半导体器件的设计就会变得容易。附图，说明图1 (a)是本发明的第1实施方式相关的高耐压半导体开关元件的俯视 图，图l (b)及(c)是图l (a)中的A-A'线及B-B'线的剖面图。图2 (a)是本发明的第1实施方式的变化例相关的高耐压半导体开关元 件的俯视图，图2 (b)及(c)是图2 (a)中的A-A'线及B-B'线的剖面图。图3 (a)是本发明的第2实施方式相关的高耐压半导体开关元件的俯视 图，图3 (b) (d)是图3 (a)中的A-A'线、B-B'线及C-C'线的剖面 图。图4 (a)是本发明的第3实施方式相关的高耐压半导体开关元件的俯视 图，图4 (b) (d)是图4 (a)中的A-A'、 B-B'线及OC'线的剖面图。图5 (a)是本发明的第4实施方式相关的高耐压半导体开关元件的俯视 图，图5 (b) (e)是图5 (a)中的A-A'、 B-B'线、C-C'线、及D-D'线的剖面图。图6是表示在本发明的第4实施方式相关的高耐压半导体开关元件中将集电极电流Ic在6A下饱和时的集电极电流和读出比的关系与现有例进行比较的图。图7 (a)是本发明的第5实施方式相关的高耐压半导体开关元件的俯视 图，图7 (b)及(c)是图7 (a)中的A-A'线及B-B'线的剖面图。图8 (a)是本发明的第6实施方式相关的高耐压半导体开关元件的俯视 图，图8 (b)及(c)是图8 (a)中的A-A'线及B-B'线的剖面图。图9 (a)是本发明的第7实施方式相关的高耐压半导体开关元件的俯视 图，图9 (b) (d)是图9 (a)中的A-A'、 B-B'线及C-C'线的剖面图。图10 (a)是本发明的第8实施方式相关的高耐压半导体开关元件的俯 视图，图10 (b) (d)是图10 (a)中的A-A'、 B-B'线及OC'线的剖面 图。图11是表示在本发明的第4、第7及第8实施方式相关的高耐压半导体 开关元件中集电极电流Ic在1. 6A下饱和时的集电极电流和读出比的关系的图。图12 (a)是本发明的第9实施方式相关的高耐压半导体开关元件的俯 视图，图12 (b)及(c)是图12 (a)中的A-A'线及B-B'线的剖面图。图13 (a)是本发明的第10实施方式相关的高耐压半导体开关元件的俯 视图，图13 (b) (d)是图13 (a)中的A-A'、 B-B'线及C-C'线的剖面图。图14 (a)是本发明的第1 第10实施方式的第1变化例相关的高耐压 半导体开关元件的俯视图，图14 (b)及(c)是图14 (a)中的A-A'线及 B-B'线的剖面图。图15 (a)是本发明的第1 第10实施方式的第2变化例相关的高耐压 半导体开关元件的俯视图，图15 (b)及(c)是图15 (a)中的A-A'线及 B-B'线的剖面图。图16 (a)是本发明的第1 第10实施方式的第2变化例(有顶上半导 体层)相关的高耐压半导体开关元件的俯视图，图16 (b)及(c)是图16 (a)中的A-A'线及B-B'线的剖面图。图17 (a)是本发明的第1 第10实施方式的第2变化例(有埋置半导体层)相关的高耐压半导体开关元件的俯视图，图17 (b)及(C)是图17(a)中的A-A'线及B-B'线的剖面图。图18 (a)是现有的横型IGBT的俯视图，图18 (b)及(c)分别是图 18 (a)中的A-A'线及B-B'线的剖面图。图19是表示具有对现有的横型IGBT的过电流保护功能的半导体器件的 概括电路结构的一例的图。符号说明I 3 5 7 9II发射极电极集电极电极 栅电极半导体基板 2 发射区 4 读出区 6 读出电极集电区 8 栅绝缘膜 10 读出区的宽度12 与读出区邻接的部分的基区的宽度13 发射区的宽度14 与发射区邻接的部分的基区的宽度15 漏区16 位于从栅电极到发射极电极之间的部分的发射区的长度17 位于从栅电极到读出电极之间的部分的读出区的长度18 储备区 19 顶上半导体层 20埋置半导体层 22 30本发明的IGBT 40 100现有的IGBT 101 102基区 103 104发射极电极 106 107集电区 108 109栅绝缘膜 110 111读出电极与发射极电极之间的区域 200过电流检测装置 201 202 电压比较器 203基区接触区 本发明的混合IGBT半导体基板发射区读出电极集电极电极栅电极读出电阻 基准电压电路204读出电流 205 集电极电流优选实施方式在下文中，说明的本发明的各实施方式中，设"技术方案"的"第1导 电类型"为P型，"第2导电类型"为N型，虽然以n沟道的高耐压半导体开 关元件为例进行说明，但p沟道的高耐压半导体开关元件也能够适用本发明。 (第l实施方式)下面参照附图，说明本发明第1实施方式相关的高耐压半导体开关元件 (以下称为IGBT)。图1 (a)是本发明的第1实施方式相关的IGBT的俯视图，图1 (b)及 (c)是图1 (a)中的A-A'线及B-B'线的剖面图。在图1 (a) (c)所 示的IGBT 30中，在N型半导体基板1的表面部形成P型基区2，在基区2 的表面部选择性地形成至少1个N型发射区3。基区2与发射区3，通过形成 在半导体基板1上的发射极电极4电连接。在基区2的表面部与发射区3隔 离，至少选择性地形成1个N型读出区5。在读出区5上形成与读出区5电 连接的读出电极6。此外，在半导体基板1的表面部与基区2隔离而形成P 型集电区7。在集电区7上形成与集电区7电连接的集电极电极8。并且，从 发射区3上跨过基区2至少到半导体基板1 (基区2或集电区7等的没有形 成杂质区的部分)上形成栅绝缘膜9，在栅绝缘膜9上形成栅电极10。在本实施方式中，设定N型发射区3和N型读出区5各自的注入杂质浓 度及接合深度相等。此外，发射区3及读出区5被设置使得在相对于从集电 区7向基区2的第1方向垂直的第2方向上排列。并且，作为本实施方式的 特征，设定与该读出区5邻接的部分的基区2的宽度12与上述第2方向上的 N型的读出区5的宽度11之比，和与该发射区3邻接的部分的基区.2的宽度 14与上述第2方向上的N型的发射区3的宽度13之比相等。具体地，设定 上述第2方向上的读出区5、发射区3、与读出区5邻接的部分的基区2、及 与发射区3邻接的部分的基区2的各自的宽度全都相等。再有，在本实施方 式及后述的各实施方式中，与读出区5邻接的部分的基区2是指位于读出区 5相互之间的部分的基区2，或位于没有形成发射极电极4的区域中的读出区 5和发射区3之间的部分的基区2,与发射区3邻接的部分的基区2是指位于 发射区3相互之间的部分的基区2。第1实施方式相关的IGBT的动作如下。在图1 (a) (c)所示的本实施方式的IGBT 30中，由于从P型集电 区7释放出的空穴(集电极电流)与分别从N型发射区3及N型读出区5释 放出的电子再结合，所以能够借助从N型发射区3释放出的电子电流(以下 称为源电流)及从N型读出区5释放出的电子电流(以下称为读出电流)来 观测集电极电流。此外，在本实施方式中，由于N型读出区5具有与N型发 射区3相同的注入杂质浓度及接合深度，换言之，由于作为发射区3的一部 分形成读出区5 ，所以从N型读出区5释放出的电子电流即读出电流相当于 集电极电流的一部分。并且，在本实施方式中，由于设定与该读出区5邻接 的部分的基区2的宽度12与上述第2方向上的N型读出区5的宽度11之比 和与该发射区3邻接的部分的基区2的宽度14与上述第2方向上的N型发射 区3的宽度13之比相等，所以从上述第2方向上每单位宽度的N型读出区5 释放出的电子的量与从上述第2方向上的每单位宽度的N型发射区3释放出 的电子的量相等。因此，根据本实施方式，集电极电流与读出电流之比即读出比与该集电 极电流的大小无关是恒定的。即，再由横型IGBT构成的高耐压半导体开关元 件中，能够通过开关元件本身的构造来控制读出比的集电极电流依赖关系。再有，在本实施方式中，也可以设定上述第2方向上的读出区5、发射 区3、与读出区5邻接的部分的基区2、及与发射区3邻接的部分的基区2的 各自的宽度全都相等。但是，如果能够设定与该读出区5邻接的部分的基区 2的宽度12与上述第2方向上的N型读出区5的宽度11之比和与该发射区3 邻接的部分的基区2的宽度14与上述第2方向上的N型发射区3的宽度13 之比相等的话，就不特别限定各区域宽度的具体设定。此外，在本实施方式中，例如如图2 (a) (c)所示，在基区2内也 可以形成高浓度P型基区接触区22，以便分别与发射区3及读出区5邻接。 在此，图2 (a)是本发明的第1实施方式的变化例相关的IGBT的俯视图， 图2 (b)及(c)是图2 (a)中的A-A'线及B-B'线的剖面图。再有，在图 2 (a) (c)中，对与图l (a) (c)所示的IGBT 30相同的构成要素赋 予相同的符号，省略重复的说明。 (第2实施方式)下面参照附图，说明本发明第2实施方式相关的高耐压半导体开关元件。图3 (a)是本发明的第2实施方式相关的高耐压半导体开关元件、具体 而言是混合IGBT 40的俯视图，图3 (b) (d)是图3 (a)中的A-A'线、 B-B'线及C-C'线的剖面图。再有，在图3 (a) (d)所示的混合IGBT40 中，通过对与图1 (a) (c)所示的IGBT 30相同的构成要素赋予相同的 符号，来省略重复的说明。本实施方式的混合IGBT 40与图1 (a) (c)所示的第1实施方式的 IGBT 30不同点在于，在半导体基板1的表面部与基区2隔离而形成至少1 个N型漏区15，漏区15及集电区7被配置使得在相对于从集电区7向基区2 的第1方向垂直的第2方向上排列。再有，在本施方式中，在半导体基板1 上形成集电极电极8，以便电连接到集电区7及基区15两方。此外，在本实 施方式中，也可以形成多个集电区7。以下，简单地说明本实施方式的混合IGBT 40的动作原理。当对混合IGBT 40的集电极电极8施加电压时，电流就从N型漏区15通过P型的基区2流 到发射区3 (以下将此动作称为MISFET (金属绝缘体半导体场效应晶体管， metal insulator semiconductor field effect transistor)动作)， 一旦 电流变大，就会从P型集电区7释放出空穴(以下将此动作称为IGBT动作)。 因此，能够实现可以在从轻负载到重负载的整个区域上降低损失的高耐压半 导体开关元件即混合IGBT。即便在本实施方式中，也与第l实施方式相同，设定N型发射区3和N 型读出区5各自的注入杂质浓度及接合深度相同，此外，配置发射区3及读 出区5以便它们在相对于从集电区7向基区2的第1方向垂直的第2方向上 排列。并且，作为本实施方式的特征，与第1实施方式相同，设定与该读出 区5邻接的部分的基区2的宽度12与上述第2方向上的N型读出区5的宽度 11之比和与该发射区3邻接的部分的基区2的宽度14与上述第2方向上的N 型发射区3的宽度13之比相等。具体地，设定上述第2方向上的读出区5、 发射区3、与读出区5邻接的部分的基区2、及与发射区3邻接的部分的基区 2的各自的宽度全都相等。艮口，根据本实施方式，与第l实施方式相同，由于设定与该读出区5邻 接的部分的基区2的宽度12与上述第2方向上的N型读出区5的宽度11之 比和与该发射区3相邻的部分的基区2的宽度14与上述第2方向上的N型发 射区3的宽度13之比相等，所以从上述第2方向上每单位宽度的N型读出区5释放出的电子的量，与从上述第2方向上的每单位宽度的N型发射区3释 放出的电子的量相等。因此，由于集电极电流与读出电流之比即读出比与该 集电极电流的大小无关是恒定的，所以在由横型IGBT构成的高耐压半导体开 关元件中，能够通过开关元件本身的构造来控制读出比的集电极电流依赖关系。并且，在本实施方式的混合IGBT 40中，通过夹持栅电极10彼此对置地 配置N型读出区5和P型集电区7，可获取如下这样的效果。艮口，当混合IGBT 40进行MISFET动作时，所有的从读出区5及发射区3 流向漏区15的电子的量都相等，另一方面，当混合IGBT 40进行IGBT动作 时，从对置集电区7配置的发射区3或读出区5释放出的电子电流的电流密 度，比从对置漏区15配置的发射区3或读出区5释放出的电子电流的电流密 度变得更大。这是因为混合IGBT 40进行动作时，从集电区7释放出的空穴 (hole)占集电极电流的一大半。其结果，由于与从集电区7释放出的空穴 再结合所以从读出区5释放出的电子的量(即读出电流的大小)，对置集电区 7配置的读出区5比对置漏区15配置的读出区5更多一些。因此，如本施方式所述，如果夹持栅电极10彼此对置地配置N型读出区 5和P型集电区7，则混合IGBT 40进行MISFET动作时的读出比和混合IGBT 40进行IGBT动作时的读出比之差变小。换言之，在轻负载时和重负载时之 间读出比之差变小。由此，得到所谓混合IGBT的控制变容易的效果。再有，在本实施方式中，也可以设定上述第2方向上的读出区5、发射 区3、与读出区5邻接的部分的基区2、及与发射区3邻接的部分的基区2的 各自的宽度全都相等。但是，如果能够设定与该读出区5邻接的部分的基区 2的宽度12与上述第2方向上的N型读出区5的宽度11之比，和与该发射 区3邻接的部分的基区2的宽度14与上述第2方向上的N型发射区3的宽度 13之比相等的话，就不特别限定各区域宽度的具体的设定。此外，在本实施方式中，也可以在基区2内形成高浓度P型基区接触区， 以便分别与发射区3及读出区5邻接。 (第3实施方式)下面参照附图，说明本发明第3实施方式相关的高耐压半导体开关元件。 图4 (a)是本发明的第3实施方式相关的高耐压半导体开关元件、具体 而言是混合IGBT 40的俯视图，图4 (b) (d)是图4 (a)中的A-A'线、B-B'线及C-C'线的剖面图。再有，在图4 (a) (d)所示的混合IGBT40 中，对与图l (a) (c)所示的第1实施方式的IGBT30或图3 (a) (d) 所示的第2实施方式的混合IGBT 40相同的构成要素赋予相同的符号，省略 重复的说明。本实施方式的混合IGBT 40与第2实施方式的IGBT 40不同点在于，相 对于在第2实施方式的IGBT 40中，夹持栅电极10彼此对置地配置N型读出 区5和P型集电区7，在本实施方式的IGBT 40中，夹持栅电极10彼此对置 地配置N型读出区5和N型漏区15。由此，根据本实施方式的IGBT 40，除与第2实施方式的IGBT 40相同 的效果外，还得到如下这样的效果。即，本实施方式的混合IGBT 40进行IGBT 动作的时候，从对置漏区15配置的读出区5释放出的电子电流的电流密度， 比从对置集电区7配置的发射区3释放出的电子电流的电流密度变得更小。 由此，能够使集电极电流与读出电流之比即读出比变大。因此，与夹持栅电 极10彼此对置地配置N型读出区5和P型集电区7的情形(第2实施方式) 相比，由于即使在通过相同大小的集电极电流进行混合IGBT的控制时也能够 增加读出区5的配置数，所以能够得到所谓可以改善读出电流的偏差的效果。 (第4实施方式)下面参照附图，说明本发明第4实施方式相关的高耐压半导体开关元件。 图5 (a)是本发明的第4实施方式相关的高耐压半导体开关元件、具体 而言是混合IGBT 40的俯视图，图5 (b) (e)是图5 (a)中的A-A'线、 B-B'线、C-C'线及D-D'线的剖面图。再有，在图5 (a) (e)所示的混 合IGBT 40中，对与图1 (a) (c)所示的第1实施方式的IGBT 30或图3 (a) (d)或图4 (a) (d)所示的第2或第3实施方式的IGBT 40相同的构成要素赋予相同的符号，省略重复的说明。本实施方式的混合IGBT 40与第2实施方式的IGBT 40不同点在于，相 对于在第2实施方式的IGBT 40中，夹持栅电极10彼此对置地配置N型读出 区5和P型集电区7，在本实施方式的IGBT 40中，夹持栅电极10彼此对置 地配置至少1个N型读出区5和P型集电区7，夹持栅电极10彼此对置地配 置其它的N型读出区5和N型漏区15。由此，根据本实施方式的IGBT 40，除与第2实施方式的IGBT 40相同 的效果外，还得到如下这样的效果。即，与对置漏区15配置所有的读出区5的情形(第3实施方式)相比，能够使进行MISFET动作时的读出比和进行 IGBT动作时的读出比之差减小，由此，能够得到混合IGBT的控制变得容易 这样的效果。此外，与对置集电区7配置所有的读出区5的情形(第2实施 方式)相比，由于能够使动作集电极电流与进行IGBT动作时的读出电流之比 即读出比增大，所以就能增加读出区5的配置数，由此能够得到所谓可以改 善读出电流的偏差的效果。图6示出集电极电流Ic在6A下饱和的混合IGBT中的集电极电流与读出 比的关系。在图6中，实线表示本实施方式的混合IGBT中的集电极电流与读 出比的关系，虚线表示现有的混合IGBT的集电极电流与读出比的关系。如图 6所示，在现有的混合IGBT中，与在从相当于饱和集电极电流的8%的0. 5A 到相当于80°/。的5A的范围内读出比从700增加到950相比，在本实施方式的 混合IGBT中，在同范围中读出比的值几乎保持在恒定的900左右。 (第5实施方式)下面参照附图，说明本发明第5实施方式相关的高耐压半导体开关元件。图7 (a)是本发明的第5实施方式相关的高耐压半导体开关元件、具体 而言是IGBT30的俯视图，图7 (b)及(c)是图7 (a)中的A-A'线及B-B' 线的剖面图。再有，在图7 (a) (c)所示的IGBT30中，对与图1 (a) (c)所示的IGBT 30相同的构成要素赋予相同的符号，省略重复的说明。本实施方式的IGBT 30与图1 (a) (c)所示的第1实施方式的IGBT 30 不同点在于，在设从集电区7向基区2的方向为第1方向，与此垂直的方向 为第2方向时，设定与该读出区5邻接的部分的基区2的宽度12与第2方向 上的N型读出区5的宽度11之比，比与该发射区3邻接的部分的基区2的宽 度14与上述第2方向上的N型发射区3的宽度13之比更大。具体地，相对 于设定上述第2方向上的读出区5、发射区3、及与发射区3邻接的部分的基 区2的各自的宽度全都相等，设定与读出区5邻接的部分的基区2的宽度12 比与发射区3邻接的部分的基区2的宽度14更大。第5实施方式相关的IGBT的动作如下。在图7 (a) (c)所示的本实施方式的IGBT 30中，从N型读出区5 释放出的电子的量用从与N型读出区5对置的部分的P型集电区7释放出的 空穴的量、和从与邻接N型读出区5的部分的P型基区2对置的部分的P型 集电区7释放出的空穴的量之和表示。此外，从N型发射区3释放出的电子的量用从与N型发射区3对置的部分的P型集电区7释放出的空穴的量、和 从与邻接N型发射区3的部分的P型基区2对置的部分的P型集电区7释放 出的空穴的量之和表示。在此，在本实施方式中，与该读出区5邻接的部分 的P型基区2的宽度12与N型读出区5的宽度11之比、比与该发射区3邻 接的部分的P型基区2的宽度14与N型发射区3的宽度13之比更大。因此， 由于从上述第2方向上每单位宽度的N型读出区5释放出的电子的量，比从 上述第2方向上的每单位宽度的N型发射区3释放出的电子的量变得更大， 所以，与第1实施方式相比，读出比变小。另一方面，使从上述第2方向上 每单位宽度的N型读出区5释放出的读出电流的饱和电流的值，与从上述第 2方向上的每单位宽度的N型发射区3释放出的源电流的饱和电流的值相等。 因此，虽然集电极电流增加时，源电流及读出电流也增加，但相对于集电极 电流的增加量的每单位宽度的读出电流的增加量比每单位宽度的源电流的增 加量逐渐变小。即，在本实施方式中，随着集电极电流的增加，读出比变大。如上所述，根据本实施方式，能够实现随着集电极电流的增加读出比增 加的高耐压半导体开关元件(IGBT 30)。换言之，在本实施方式中，也能够 通过开关元件本身的构造来控制读出比的集电极电流依赖关系。再有，在本实施方式中，设定上述第2方向上的读出区5、发射区3、及 与发射区3邻接的部分的基区2的各自的宽度全都相等，设定与读出区5邻 接的部分的基区2的宽度12比与发射区3邻接的部分的基区2的宽度14更 大。但是，如果能够设定与该读出区5邻接的部分的基区2的宽度12与第2 方向上的N型读出区5的宽度11之比、比与该发射区3邻接的部分的基区2 的宽度14与上述第2方向上的N型发射区3的宽度13之比更大的话，就不 特别限定各区域宽度的具体的设定。此外，在本实施方式中，也可以在基区2内形成高浓度P型的基区接触 区，以便分别与发射区3及读出区5邻接。 (第6实施方式)下面，参照附图，说明本发明第6实施方式相关的高耐压半导体开关元件。图8 (a)是本发明的第6实施方式相关的高耐压半导体开关元件、具体 而言是IGBT30的俯视图，图8 (b)及(c)是图8 (a)中的A-A'线及B-B' 线的剖面图。再有，在图8 (a) (c)所示的IGBT30中，对与图1 (a) (c)所示的IGBT 30相同的构成要素赋予相同的符号，省略重复的说明。
本实施方式的IGBT 30与图1 (a) (c)所示的第1实施方式的IGBT 30 不同点在于，在设从集电区7向基区2的方向为第1方向，与此垂直的方向 为第2方向时，设定与该读出区5邻接的部分的基区2的宽度12与第2方向 上的N型读出区5的宽度11之比、比与该发射区3邻接的部分的基区2的宽 度14与上述第2方向上的N型发射区3的宽度13之比更小。具体地，相对 于设定上述第2方向上的读出区5、发射区3、及与发射区3邻接的部分的基 区2的各自宽度全都相等，设定与读出区5邻接的部分的基区2的宽度12比 与发射区3邻接的部分的基区2的宽度14更小。
在图8 (a) (c)所示的本实施方式的IGBT 30中，与第5实施方式 相反，设定与该读出区5邻接的部分的P型基区2的宽度12与N型读出区5 的宽度11之比、比与该发射区3邻接的部分的P型基区2的宽度14与N型 发射区3的宽度13之比更小。因此，由于从上述第2方向上每单位宽度的N 型读出区5释放出的电子的量，比从上述第2方向上的每单位宽度的N型发 射区3释放出的电子的量变得更小，所以，与第l实施方式相比，读出比变 大。另一方面，使从上述第2方向上每单位宽度的N型读出区5释放出的读 出电流的饱和电流的值，与从上述第2方向上的每单位宽度的N型发射区3 释放出的源电流的饱和电流的值相等。因此，虽然集电极电流增加时，源电 流及读出电流也增加，但相对于集电极电流的增加量的每单位宽度的读出电 流的增加量比每单位宽度的源电流的增加量逐渐变大。即，在本实施方式中， 随着集电极电流的增加，读出比变小。
如上所述，根据本实施方式，能够实现随着集电极电流的增加读出比减 少的高耐压半导体开关元件(IGBT 30)。换言之，在本实施方式中，也能够 通过开关元件本身的构造来控制读出比的集电极电流依赖关系。
再有，在本实施方式中，设定上述第2方向上的读出区5、发射区3、及 与发射区3邻接的部分的基区2的各自的宽度全都相等，设定与读出区5邻 接的部分的基区2的宽度12比与发射区3邻接的部分的基区2的宽度14更 小。但是，如果能够设定与该读出区5邻接的部分的基区2的宽度12与第2 方向上的N型读出区5的宽度11之比、比与该发射区3邻接的部分的基区2 的宽度14与上述第2方向上的N型发射区3的宽度13之比更小的话，就不 特别限定各区域宽度的具体设定。此外，在本实施方式中，也可以在基区2内形成高浓度P型的基区接触 区，以便分别与发射区3及读出区5邻接。
(第7实施方式)
下面参照附图，说明本发明第7实施方式相关的高耐压半导体开关元件。
图9 (a)是本发明的第7实施方式相关的高耐压半导体开关元件、具体 的混合工GBT40的俯视图，图9 (b) (d)是图9 (a)中的A-A'线、B-B' 线及C-C'的剖面图。再有，在图9 (a) (d)所示的混合IGBT40中，对 与图1 (a) (c)所示第1实施方式的IGBT 30或图3 (a) (d)所示的 第2实施方式的IGBT 40相同的构成要素赋予相同的符号，省略重复的说明。
本实施方式的IGBT 40与第2实施方式的IGBT 40不同点如下。目卩，在 第2实施方式的IGBT 40中，在将从集电区7向基区2的方向设为第1方向， 与此垂直的方向为第2方向时，设定与该读出区5邻接的部分的基区2的宽 度12与第2方向上的N型读出区5的宽度11之比、和与该发射区3邻接的 部分的基区2的宽度14与上述第2方向上的N型发射区3的宽度13之比相 等。相对于此，在本实施方式的IGBT40中，与图7 (a) (c)所示的第5 实施方式的IGBT 30相同，设定与该读出区5邻接的部分的基区2的宽度12 与第2方向上的N型读出区5的宽度11之比、比与该发射区3邻接的部分的 基区2的宽度14与上述第2方向上的N型发射区3的宽度13之比更大。具 体地，相对于设定上述第2方向上的读出区5、发射区3、及与发射区3邻接 的部分的基区2的各自的宽度全都相等，设定与读出区5邻接的部分的基区 2的宽度12比与发射区3邻接的部分的基区2的宽度14更大。
因此，即使在本实施方式的混合IGBT40中，也与第5实施方式的IGBT 30相同，能够实现随着集电极电流的增加读出比增加的高耐压半导体开关元 件。换言之，在本实施方式中，也能够通过开关元件本身的构造来控制读出 比的集电极电流依赖关系。
再有，在本实施方式中，设定上述第2方向上的读出区5、发射区3、及 与发射区3邻接的部分的基区2的各自的宽度全都相等，设定与读出区5邻 接的部分的基区2的宽度12比与发射区3邻接的部分的基区2的宽度14更 大。但是，如果能够设定与该读出区5邻接的部分的基区2的宽度12与第2 方向上的N型读出区5的宽度11之比、比与该发射区3邻接的部分的基区2 的宽度14与上述第2方向上的N型发射区3的宽度13之比更大的话，就不特别限定各区域宽度的具体设定。
此外，在本实施方式中，也可以在基区2内形成高浓度P型的基区接触 区，以便分别与发射区3及读出区5邻接。
此外，在本实施方式中，与第2实施方式相同，如果夹持栅电极10彼此 对置地配置N型读出区5和P型集电区7，则进行MISFET动作时的读出比和 进行IGBT动作时的读出比之差变小，由此，得到所谓混合IGBT 40的控制变 容易的效果。
此外，在本实施方式中，与第3实施方式相同，如果夹持栅电极10彼此 对置地配置N型读出区5和N型漏区15，则集电极电流与进行IGBT动作时 的读出电流之比即读出比变大。因此，由于能够增加读出区5的配置数，所 以能够得到所谓可以改善读出电流的偏差的效果。
此外，在本实施方式中，与第4实施方式相同，如果夹持栅电极10彼此 对置地配置至少1个N型读出区5和P型集电区7，夹持栅电极10彼此对置 地配置其它的N型读出区5和N型漏区15，则获得如下的效果。即，与对置 漏区15配置所有的读出区5的情形相比，能够使进行MISFET动作时的读出 比和进行IGBT动作时的读出比之差减小，由此，能够得到混合IGBT 40的控 制变得容易这样的效果。此外，与对置集电区7配置所有的读出区5的情形 相比，由于能够使进行IGBT动作时的读出比增大，所以能增加读出区5的配 置数，由此能够得到所谓可以改善读出电流的偏差的效果。 (第8实施方式)
下面参照附图，说明本发明第8实施方式相关的高耐压半导体开关元件。 图10 (a)是本发明的第8实施方式相关的高耐压半导体开关元件、具 体而言是混合IGBT 40的俯视图，图10 (b) (d)是图10 (a)中的A-A' 线、B-B'线及C-C'的剖面图。再有，在图10 (a) (d)所示的混合IGBT 40中，对与图1 (a) (c)所示第1实施方式的IGBT 30或图3 (a) (d) 所示的第2实施方式的IGBT 40相同的构成要素赋予相同的符号，省略重复 的说明。
本实施方式的IGBT 40与第2实施方式的IGBT 40不同点如下。g卩，在 第2实施方式的IGBT 40中，在设从集电区7向基区2的方向为第1方向， 与此垂直的方向为第2方向时，设定与该读出区5邻接的部分的基区2的宽 度12与第2方向上的N型读出区5的宽度11之比、与与该发射区3邻接的部分的基区2的宽度14与上述第2方向上的N型发射区3的宽度13之比相 等。相对于此，在本实施方式的IGBT40中，与图8 (a) (c)所示的第6 实施方式的IGBT 30相同，设定与该读出区5邻接的部分的基区2的宽度12 与第2方向上的N型读出区5的宽度11之比、比与该发射区3邻接的部分的 基区2的宽度14与上述第2方向上的N型发射区3的宽度13之比更小。具 体地，相对于设定上述第2方向上的读出区5、发射区3、及与发射区3邻接 的部分的基区2的各自的宽度全都相等，设定与读出区5邻接的部分的基区 2的宽度12比与发射区3邻接的部分的基区2的宽度14更小。
因此，在本实施方式的混合IGBT 40中，也与第6实施方式的IGBT 30 相同，能够实现随着集电极电流的增加读出比减少的高耐压半导体开关元件。 换言之，在本实施方式中，也能够通过开关元件本身的构造来控制读出比的 集电极电流依赖关系。
再有，在本实施方式中，设定上述第2方向上的读出区5、发射区3、及 与发射区3邻接的部分的基区2的各自的宽度全都相等，设定与读出区5邻 接的部分的基区2的宽度12比与发射区3邻接的部分的基区2的宽度14更 小。但是，如果能够设定与该读出区5邻接的部分的基区2的宽度12比第2 方向上的N型读出区5的宽度11之比，比与该发射区3邻接的部分的基区2 的宽度14比上述第2方向上的N型发射区3的宽度13之比更小的话，就不 特别限定各区域宽度的具体的设定。
此外，在本实施方式中，也可以在基区2内形成高浓度P型的基区接触 区，以便分别与发射区3及读出区5邻接。
此外，在本实施方式中，与第2实施方式相同，如果夹持栅电极10彼此 对置地配置N型读出区5和P型集电区7，则进行MISFET动作时的读出比和 进行IGBT动作时的读出比之差变小，由此，得到所谓混合IGBT 40的控制变 容易的效果。
此外，在本实施方式中，与第3实施方式相同，如果夹持栅电极10彼此 对置地配置N型读出区5和N型漏区15，则集电极电流与进行IGBT动作时 的读出电流之比即读出比变大。因此，由于能够增加读出区5的配置数，所 以能够得到所谓可以改善读出电流的偏差的效果。
此外，在本实施方式中，与第4实施方式相同，如果夹持栅电极10彼此 对置地配置至少1个N型读出区5和P型集电区7，夹持栅电极10彼此对置地配置其它的N型读出区5和N型漏区15，则获得如下的效果。SP，与对置
漏区15配置所有的读出区5的情形相比，能够使进行MISFET动作时的读出 比和进行IGBT动作时的读出比之差减小，由此，能够得到混合IGBT 40的控 制变得容易这样的效果。此外，与对置集电区7配置所有的读出区5的情形 相比，由于能够使进行IGBT动作时的读出比增大，所以能增加读出区5的配 置数，由此能够得到所谓可以改善读出电流的偏差的效果。
图11示出集电极电流Ic在1. 6A下饱和的混合IGBT中的集电极电流与 读出比的关系。具体地，在图11中，示出了上述第4实施方式的混合IGBT、 上述第7实施方式的混合IGBT及本实施方式的混合IGBT的各自的集电极电 流与读出比的关系。
如图11所示，在第4实施方式的混合IGBT中，相对于集电极电流的增 加将读出比的值几乎保持在恒定的340左右。相对于此，在第7实施方式的 混合IGBT中，随着集电极电流的增加读出比从240左右增加到280左右。此 外，在本实施方式的混合IGBT中，随着集电极电流的增加读出比从380左右 减少到350左右。
基于图11所示的结果可知，通过调节上述第2方向上的N型读出区5、 N型发射区3、与读出区5邻接的部分的P型基区2、及与发射区3邻接的部 分的基区2的各自的宽度，在IGBT和混合IGBT中，能够任意地改变相对于 集电极电流的读出比的依赖关系。即，可知能够控制读出比的集电极电流依 赖关系。
(第9实施方式)
下面参照附图，说明本发明第9实施方式相关的高耐压半导体开关元件。 图12 (a)是本发明的第9实施方式相关的高耐压半导体开关元件、具 体而言是IGBT 30的俯视图，图12 (b)及(c)是图12 (a)中的A-A'线 及B-B'线的剖面图。再有，在图12 (a) (c)所示的IGBT 30中，对与 图1 (a) (c)所示的IGBT 30相同的构成要素赋予相同的符号，省略重 复的说明。
在图12 (a) (c)所示的IGBT 30中，与图1 (a) (c)所示的第 1实施方式的IGBT 30相同，配置发射区3及读出区5以便它们在相对于从 集电区7向基区2的第1方向垂直的第2方向上排列。此外，设定上述第2 方向上的上述读出区5的宽度11、与读出区5邻接的部分的基区2的宽度12、发射区3的宽度13、及与发射区3邻接的部分的基区2的宽度14全都相等。 并且，作为本实施方式的特征，设定位于从栅电极10到发射极电极4之间的 部分的N型发射区3的长度(沿上述第1方向的长度)16和位于从栅电极 10到读出电极6之间的部分的N型读出区5的长度(沿上述第1方向的长度) 17相等。由此，使位于从栅电极10到发射极电极4之间的部分的N型发射 区3的电阻和位于从栅电极10到读出电极6之间的部分的N型读出区5的电 阻相等。
通过使用以上说明的本实施方式的IGBT构造，当IGBT 30流过引起导电 率调制程度的集电极电流时，就会使从发射区3流出的电子电流即源电流的 电流密度、与从读出区5流出的电子电流即读出电流的电流密度实际上相同。 由此，由于即使在IGBT 30流过引起导电率调制程度的集电极电流时也能够 抑制读出比的变动，所以能够容易地进行流过IGBT 30的集电极电流的控制。
此外，根据本实施方式，由于位于发射极电极4和栅电极10之间的部分 的发射区3的电阻，与位于读出电极6和栅电极10之间的部分的读出区5的 电阻相等，所以能够使相对于温度的上升的各自的电阻的上升相一致。因此， 就有可能消除读出比的温度依赖关系。
艮口，根据本实施方式，能够通过开关元件本身的构造来控制读出比的集 电极电流依赖关系及温度依赖关系。
再有，在本实施方式中，设定上述第2方向上的读出区5、发射区3、与 读出区5邻接的部分的基区2、及与发射区3邻接的部分的基区2的各自的 宽度全都相等，设定位于从栅电极10到发射极电极4之间的部分的发射区3 的长度16和位于从栅电极10到读出电极6之间的部分的读出区5的长度17 相等。但是，如果能够设定位于从栅电极10到发射极电极4之间的部分的N 型发射区3的电阻和位于从栅电极10到读出电极6之间的部分的N型读出区 5的电阻相等的话，就不特别限定各区域宽度和长度的具体的设定。
此外，在本实施方式中，也可以在基区2内形成高浓度P型的基区接触 区，以便分别与发射区3及读出区5邻接。 (第10实施方式)
下面参照附图，说明本发明第10实施方式相关的高耐压半导体开关元
图13 (a)是本发明的第10实施方式相关的高耐压半导体开关元件、具体的混合IGBT 40的俯视图，图13 (b) (d)是图13 (a)中的A-A'线、 B-B'线及C-C'线的剖面图。再有，在图13 (a) (d)所示的混合IGBT40 中，对与图1 (a) (c)所示第1实施方式的IGBT 30或图3 (a) (d) 所示的第2实施方式的IGBT 40相同的构成要素赋予相同的符号，省略重复 的说明。
在图13 (a) (d)所示的混合IGBT 40中，也与图3 (a) (d)所 示的第2实施方式的混合IGBT 40相同，配置发射区3及读出区5以使它们 在相对于从集电区7向基区2的第1方向垂直的第2方向上排列。此外，设 定上述第2方向上的读出区5的宽度11、与读出区5邻接的部分的基区2的 宽度12、发射区3的宽度13、及与发射区3邻接的部分的基区2的宽度14 全都相等。并且，作为本实施方式的特征，与图12 (a) (c)所示的第9 实施方式的IGBT 30相同，设定位于从栅电极10到发射极电极4之间的部分 的N型发射区3的长度(沿上述第1方向的长度)16和位于从栅电极10到 读出电极6之间的部分的N型读出区5的长度(沿上述第l方向的长度)17 相等。由此，使位于从栅电极10到发射极电极4之间的部分的N型发射区3 的电阻和位于从栅电极10到读出电极6之间的部分的N型读出区5的电阻相 等。
通过使用以上说明的本实施方式的IGBT构造，当混合IGBT 40流过引起 导电率调制程度的集电极电流时，就会使从发射区3流出的电子电流即源电 流的电流密度、与从读出区5流出的电子电流即读出电流的电流密度实际上 相同。由此，由于即使在混合IGBT 40流过引起导电率调制程度的集电极电 流时也能够抑制读出比的变动，所以能够容易地进行流过混合IGBT 40的集 电极电流的控制。
此外，根据本实施方式，由于位于发射极电极4和栅电极10之间的部分 的发射区3的电阻，与位于读出电极6和栅电极10之间的部分的读出区5的 电阻相等，所以能够使相对于温度的上升的各自的电阻的上升相一致。因此， 就有可能消除读出比的温度依赖关系。
即，根据本实施方式，能够通过开关元件本身的构造来控制读出比的集 电极电流依赖关系及温度依赖关系。
再有，在本实施方式中，设定上述第2方向上的读出区5、发射区3、与 读出区5邻接的部分的基区2、及与发射区3邻接的部分的基区2的各自的宽度全都相等，设定位于从栅电极10到发射极电极4之间的部分的发射区3的长度16和位于从栅电极10到读出电极6之间的部分的读出区5的长度17 相等。但是，如果能够设定位于从栅电极10到发射极电极4之间的部分的N 型发射区3的电阻和位于从栅电极10到读出电极6之间的部分的N型读出区 5的电阻相等的话，就不特别限定各区域宽度和长度的具体设定。此外，在本实施方式中，也可以在基区2内形成高浓度P型的基区接触 区，以便分别与发射区3及读出区5邻接。此外，在本实施方式中，与第2实施方式相同，如果夹持栅电极10彼此 对置地配置N型读出区5和P型集电区7，则进行MISFET动作时的读出比和 进行IGBT动作时的读出比之差变小，由此，得到所谓混合IGBT 40的控制变 容易的效果。此外，在本实施方式中，与第3实施方式相同，如果夹持栅电极10彼此 对置地配置N型读出区5和N型漏区15，则集电极电流与进行IGBT动作时 的读出电流之比即读出比变大。因此，由于能够增加读出区5的配置数，所 以能够得到所谓可以改善读出电流的偏差的效果。此外，在本实施方式中，与第4实施方式相同，如果夹持栅电极10彼此 对置地配置至少1个N型读出区5和P型集电区7，夹持栅电极10彼此对置 地配置其它的N型读出区5和N型漏区15，则获得如下的效果。即，与对置 漏区15配置所有的读出区5的情形相比，能够使进行MISFET动作时的读出 比和进行IGBT动作时的读出比之差减小，由此，能够得到混合IGBT 40的控 制变得容易这样的效果。此外，与对置集电区7配置所有的读出区5的情形 相比，由于能够使进行IGBT动作时的读出比增大，所以能增加读出区5的配 置数，由此能够得到所谓可以改善读出电流的偏差的效果。 (第1 第10实施方式的第1变化例)关于以上所述的所有第1 第10实施方式都存在以下的第1变化例。艮口，在第1 第10的实施方式相关的高耐压半导体开关元件中，将多个 读出取5汇集在1处或2处而形成。相对于此，在该变化例中，分散在2处 或3处以上配置多个读出区5的同时，还在读出区5的配置处相互之间配置 发射区3。图14 (a)是以图1 (a) (c)所示的第1实施方式相关的高耐压半导 体开关元件为例，分散在3处配置3个读出区5、且在各读出区5之间配置发射区3的该变化例相关的高耐压半导体开关元件的俯视图，图14 (b)及(c)是图14 (a)中的A-A'线及B-B'线的剖面图。再有，在图14 (a) (c)所示的IGBT 30中，对与图1 (a) (c)所示的IGBT 30相同的构成 要素赋予相同的符号，省略重复的说明。根据该变化例，由于将多个读出区5分散到多处配置，所以与将多个读 出区5汇集在一处配置的情形相比，当IGBT 30流过引起导电率调制程度的 集电极电流时，就能够减小从与读出区5对置的部分的集电区7流出的电流 的电流密度、和从与发射区3对置的部分的集电区7流出的电流的电流密度 之差。因此，能够降低对于集电极电流和温度的变化的读出比的偏差，来保 持读出比恒定。(第1 第10实施方式的第2变化例)关于以上所述的所有第1 第10实施方式都存在以下的第2变化例。艮口，在第1 第10的实施方式相关的高耐压半导体开关元件中，在N型 半导体基板1的表面部与P型基区2隔离形成P型集电区7。相对于此，在 该变化例中，使用作为半导体基板的P型半导体基板，在该半导体基板内形 成的N型储备区；在该储备区内形成上述集电区图15 (a)是以图1 (a) (c)所示的第1实施方式相关的高耐压半导 体开关元件为例，在P型半导体基板21内与基区2邻接地形成N型储备区 18、且在该储备区18内形成P型集电区7的该变化例相关的高耐压半导体开 关元件的俯视图，图15 (b)及(c)是图15 (a)中的A-A'线及B-B'线的 剖面图。再有，在图15 (a) (c)所示的IGBT30中，对与图1 (a) (c) 所示的IGBT 30相同的构成要素赋予相同的符号，省略重复的说明。根据该变化例，与使用N型半导体基板的情形相比，由于能够提高N型 储备区18的杂质浓度，所以能够增大高耐压半导体开关元件即IGBT30的电 流能力。即，由于通过提高储备区18的杂质浓度能縮短储备区18内的少数 载流子的寿命，所以能够縮短集电极电流的下降时间(栅极截止时集电极电 流截止所需要的时间)。再有，在高耐压半导体开关元件是混合IGBT的情况(第2 第4、第7、 第8、第10实施方式)下，在P型半导体基板21的表面部的N型储备区18 内除设置P型集电区7外，还设置N型漏区15。由此，与使用N型半导体基 板的情形相比，由于能提高N型储备区18的杂质浓度，所以能够增大高耐压半导体开关元件即混合IGBT的电流能力。即由于通过提高储备区18的杂质 浓度能縮短储备区18内的少数载流子的寿命，所以能够縮短集电极电流的下 降时间(栅极截止时集电极电流截止所需要的时间)。并且，由于通过提高N 型储备区18的杂质浓度使MISFET动作时的导通电阻变小，所以与使用N型 半导体基板的情形相比，能够流过比MISFET动作时大的集电极电流。如上所述，在上述的第1 第10实施方式中，通过采用该变化例的结构， 能够提高N型储备区的杂质浓度，由此，能够增大高耐压半导体开关元件的 电流能力。再有，在该变化例中，也可在储备区内与集电区隔离设置P型顶上半导 体层或P型埋置半导体层，并将这些顶上半导体层或埋置半导体层与基区电 连接。如此，由于能够进一步地提高N型储备区的杂质浓度，所以能够进一 步增大高耐压半导体开关元件的电流能力。此外，也可以将顶上半导体层及 埋置半导体层两者都设置。图16 (a)是在图15 (a) (c)所示的该变化例相关的高耐压半导体 开关元件中在N型储备区18的表面部与P型半导体基板21内与P型集电区 7隔离形成P型顶上半导体层19时的俯视图，图16 (b)及(c)是图16 (a) 中的A-A'线及B-B'线的剖面图。在此，P型顶上半导体层19与P型基区2 电连接。再有，通过电连接基区2和发射区3，使得顶上半导体层19的电位 与发射区3的电位为同电位。此外，如图16 (a)所示，也可以沿与相对于 从集电区7向基区2的第1方向垂直的第2方向连续地形成顶上半导体层19。 并且，在储备区18内设置漏区来构成混合IGBT的情况下，与该漏区隔离而 形成顶上半导体层19。图17 (a)是在图15 (a) (c)所示的该变化例相关的高耐压半导体 开关元件中在N型储备区18的表面部与P型半导体基板21内与P型集电区 7隔离形成P型埋置半导体层20时的俯视图，图17 (b)及(c)是图17 (a) 中的A-A'线及B-B'线的剖面图。在此，P型埋置半导体层20与P型基区2 电连接。再有，通过电连接基区2和发射区3，使得埋置半导体层20的电位 与发射区3的电位为同电位。此外，也可以沿与相对于从集电区7向基区2 的第1方向垂直的第2方向连续地形成埋置半导体层20。并且，在储备区18 内设置漏区来构成混合IGBT的情况下，与该漏区隔离而形成埋置半导体层 20。工业上的可利用性本发明涉及一种具有绝缘栅型开关元件的高耐压半导体开关元件，特别 是在应用于具有针对过电流进行保护开关元件的过电流保护功能的高耐压半 导体开关元件的情况下，能够获得可通过开关元件自身的构造控制读出比的 集电极电流依赖关系和温度依赖关系的特别的效果。
权利要求
1、一种高耐压半导体开关元件，其特征在于，包括形成在第2导电类型半导体的基板内的第1导电类型的基区；选择性地形成在上述基区内的至少1个的第2导电类型的发射区；在上述基区内与上述发射区隔离而选择性地形成的至少1个的第2导电类型的读出区；在上述半导体基板内与上述基区隔离而形成的第1导电类型的集电区；从上述发射区看，至少在位于上述集电区一侧的部分的上述基区上形成的栅绝缘膜；形成在上述栅绝缘膜上的栅电极；形成在上述半导体基板上、且电连接到上述集电区的集电极电极；形成在上述半导体基板上、且电连接到上述基区及上述发射区双方的发射极电极；和形成在上述半导体基板上、且电连接到上述读出区的读出电极，上述发射区及上述读出区被配置使得在相对于从上述集电区向上述基区的第1方向垂直的第2方向上排列，设定上述第2方向上的上述读出区、上述发射区、与上述读出区邻接的部分的上述基区、及与上述发射区邻接的部分的上述基区的各自的宽度，以使集电极电流与读出电流之比即读出比按照该集电极电流的变化而产生所希望的变化。
2、 一种高耐压半导体开关元件，其特征在于，包括 形成在第2导电类型的半导体基板内的第1导电类型的基区； 选择性地形成在上述基区内的至少1个的第2导电类型的发射区； 在上述基区内与上述发射区隔离而选择地形成的至少1个的第2导电类型的读出区；在上述半导体基板内与上述基区隔离而形成的第1导电类型的集电区； 在上述半导体基板内与上述基区隔离而形成的第2导电类型的漏区； 至少从上述发射区看，在位于上述集电区一侧的部分的上述基区上形成 的栅绝缘膜；形成在上述栅绝缘膜上的栅电极；形成在上述半导体基板上、且电连接到上述集电区及上述漏区双方的集电极电极；形成在上述半导体基板上、且电连接到上述基区及上述发射区双方的发 射极电极；和形成在上述半导体基板上、且电连接到上述读出区的读出电极， 上述发射区及上述读出区被配置使得在相对于从上述集电区向上述基区的第1方向垂直的第2方向上排列，设定上述第2方向上的上述读出区、上述发射区、与上述读出区邻接的部分的上述基区、及与上述发射区邻接的部分的上述基区的各自的宽度，以使集电极电流与读出电流之比按照该集电极电流的变化而产生所希望的变化。
3、 根据权利要求2所述的高耐压半导体开关元件，其特征在于， 夹持上述栅电极且彼此对置地配置上述读出区和上述集电区。
4、 根据权利要求2所述的高耐压半导体开关元件，其特征在于，夹持上述栅电极且彼此对置地配置上述读出区和上述漏区。
5、 根据权利要求2所述的高耐压半导体开关元件，其特征在于，形成多个上述读出区，夹持上述栅电极且彼此对置地配置至少1个的上述读出区和上述集电 区，夹持上述栅电极且彼此对置地配置其它上述读出区和上述漏区。
6、 根据权利要求1或2所述的高耐压半导体开关元件，其特征在于， 将与该读出区邻接的部分的上述基区的宽度与上述第2方向上的上述读出区的宽度之比和与该发射区邻接的部分的上述基区的宽度与上述第2方向 上的上述发射区的宽度之比设定为相等，由此，上述读出比相对于上述集电 极电流的变化成为恒定。
7、 根据权利要求6所述的高耐压半导体开关元件，其特征在于， 设定上述第2方向上的上述读出区、上述发射区、邻接上述读出区的部分的上述基区、及邻接上述发射区的部分的上述基区的各自的宽度相等。
8、 根据权利要求1或2所述的高耐压半导体开关元件，其特征在于， 将与该读出区邻接的部分的上述基区的宽度与上述第2方向上的上述读出区的宽度之比设定为比与该发射区邻接的部分的上述基区的宽度与上述 第2方向上的上述发射区的宽度之比更大，由此，上述读出比随着上述集电极电流的增加而增加。
9、 根据权利要求1或2所述的高耐压半导体开关元件，其特征在于，将与该读出区邻接的部分的上述基区的宽度与上述第2方向上的上述读出区的宽度之比设定为比与该发射区相邻的部分的上述基区的宽度与上述第2方向上的上述发射区的宽度之比更小，由此，上述读出比随着上述集电极 电流的增加而减少。
10、 一种高耐压半导体开关元件，其特征在于，包括 形成在第2导电类型的半导体基板内的第1导电类型的基区； 选择性地形成在上述基区内的至少1个的第2导电类型的发射区； 在上述基区内与上述发射区隔离而选择性地形成的至少1个的第2导电类型的读出区；在上述半导体基板内与上述基区隔离而形成的第1导电类型的集电区； 至少从上述发射区看，在位于上述集电区一侧的部分的上述基区上形成 的栅绝缘膜；形成在上述栅绝缘膜上的栅电极；形成在上述半导体基板上、且电连接到上述集电区的集电极电极； 形成在上述半导体基板上、且电连接到上述基区及上述发射区双方的发 射极电极；和形成在上述半导体基板上、且电连接到上述读出区的读出电极， 上述发射区及上述读出区被配置使得在相对于从上述集电区向上述基区的第1方向垂直的第2方向上排列，位于上述发射极电极和上述栅电极之间的部分的上述发射区的电阻与位于上述读出电极和上述栅电极之间的部分的上述读出区的电阻相等。
11、 一种高耐压半导体开关元件，其特征在于，包括 形成在第2导电类型的半导体基板内的第1导电类型的基区； 选择性地形成在上述基区内的至少1个的第2导电类型的发射区；在上述基区内与上述发射区隔离而选择性地形成的至少1个的第2导电 类型的读出区；在上述半导体基板内与上述基区隔离而形成的第1导电类型的集电区； 在上述半导体基板内与上述基区隔离而形成的第2导电类型的漏区； 至少从上述发射区看，在位于上述集电区一侧的部分的上述基区上形成的栅绝缘膜；形成在上述栅绝缘膜上的栅电极；形成在上述半导体基板上、且电连接到上述集电区及上述漏区双方的集 电极电极；形成在上述半导体基板上、且电连接到上述基区及上述发射区双方的发 射极电极；和形成在上述半导体基板上、且电连接到上述读出区的读出电极； 上述发射区及上述读出区被配置使得它们在相对于从上述集电区向上述基区的第1方向垂直的第2方向上排列，位于上述发射极电极和上述栅电极之间的部分的上述发射区的电阻与位于上述读出电极和上述栅电极之间的部分的上述读出区的电阻相等。
12、 根据权利要求ll所述的高耐压半导体开关元件，其特征在于， 夹持上述栅电极且彼此对置地配置上述读出区和上述集电区。
13、 根据权利要求ll所述的高耐压半导体开关元件，其特征在于， 夹持上述栅电极且彼此对置地配置上述读出区和上述漏区。
14、 根据权利要求ll所述的高耐压半导体开关元件，其特征在于， 形成多个上述读出区，夹持上述栅电极且彼此对置地配置至少1个的上述读出区和上述集电 区，夹持上述栅电极且彼此对置地配置其它的上述读出区和上述漏区。
15、 根据权利要求10或11所述的高耐压半导体开关元件，其特征在于， 上述第2方向上的上述发射区及上述读出区的各自的宽度相等；位于上述发射极电极和上述栅电极之间的部分的上述发射区的长度与位于上述读出 电极和上述栅电极之间的部分的上述读出区的长度相等。
16、 根据权利要求l、 2、 10或11任意一项所述的高耐压半导体开关元 件，其特征在于，形成多个上述读出区；在一个上述读出区和另 一个上述读出区之间配置上述发射区。
17、 根据权利要求l、 2、 10或11任意一项所述的高耐压半导体开关元件，其特征在于，上述半导体基板是第1导电类型，还包括在上述半导体基板内与上述基区邻接而形成的第2导电类型的储备区，在上述储备区内形成上述集电区。
18、 根据权利要求17所述的高耐压半导体开关元件，其特征在于， 还包括在上述储备区的表面部形成的第1导电类型的顶上半导体层， 上述顶上半导体层与上述基区电连接。
19、 根据权利要求17所述的高耐压半导体开关元件，其特征在于， 还包括在上述储备区内形成的第1导电类型的埋置半导体层； 上述埋置半导体层与上述基区电连接。
全文摘要
提供一种高耐压半导体开关元件，其利用开关元件本身的结构来控制读出比的集电极电流依赖关系。在P型的基区(2)的表面上，选择性地形成至少1个N型发射区(3)及与发射区(3)隔离的至少1个N型的读出区(5)。配置发射区(3)及读出区(5)，以便它们在相对于从集电区(7)向基区(2)的第1方向垂直的第2方向上排列。设定第2方向上的读出区(5)、发射区(3)、与读出区(5)邻接的部分的基区(2)、及与发射区(3)邻接的部分的基区(2)的各自宽度，以使读出比按照集电极电流的变化产生所希望的变化。
文档编号H01L29/739GK101404291SQ20081016199
公开日2009年4月8日 申请日期2008年10月6日 优先权日2007年10月1日
发明者佐治隆司, 山际优人 申请人:松下电器产业株式会社